2021 年12 月 第3 卷 第4 期 Dec 2021 Vol 3 No 4 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 南 方 藍 莓 智 能 溫 室 促 早 熟 生 產(chǎn) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 技 術 徐 立 鴻 劉 輝 輝 徐 赫 蔚 瑞 華 蔡 文 韜 同 濟 大 學 電 子 與 信 息 工 程 學 院 上 海 2 0 1 8 0 0 摘 要 為 達 到 藍 莓 提 前 上 市 獲 得 更 大 經(jīng) 濟 效 益 的 目 的 本 團 隊 將 南 方 藍 莓 移 至 環(huán) 境 可 控 型 智 能 溫 室 中 試 驗 生 產(chǎn) 探 索 研 究 出 南 方 藍 莓 智 能 溫 室 促 早 熟 生 產(chǎn) 控 制 技 術 首 先 從 藍 莓 物 候 期 品 種 特 點 土 壤 p H 水 肥 灌 溉 方 式 小 氣 候 環(huán) 境 區(qū) 間 等 方 面 進 行 了 較 為 詳 細 全 面 的 調 研 與 總 結 明 確 了 無 土 栽 培 藍 莓 全 周 期 管 理 要 點 和 環(huán) 境 調 控 范 圍 接 著 基 于 V e n l o 型 溫 室 對 藍 莓 生 產(chǎn) 做 布 局 并 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術 建 立 藍 莓 植 物 工 廠 化 生 產(chǎn) 控 制 系 統(tǒng) 串 聯(lián) 硬 件 層 軟 件 層 和 云 端 實 現(xiàn) 現(xiàn) 場 端 環(huán) 境 檢 測 調 控 數(shù) 據(jù) 云 存 儲 與 遠 程 控 制 等 技 術 在 溫 室 環(huán) 境 多 因 子 協(xié) 調 控 制 模 型 基 礎 上 針 對 藍 莓 生 長 環(huán) 境 特 點 探 索 研 究 了 一 套 藍 莓 溫 室 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 用 于 環(huán) 境 調 控 試 驗 溫 室 位 于 江 蘇 省 蘇 州 市 昆 山 市 花 橋 鎮(zhèn) 東 南 部 經(jīng) 實 際 驗 證 整 體 調 控 系 統(tǒng) 效 果 顯 著 并 于 2 0 2 1 年 5 月 初 采 收 了 第 一 波 果 實 使 南 方 品 種 藍 莓 提 早 近 一 個 月 進 入 果 實 采 摘 期 其 中 相 比 未 蓄 冷 的 藍 莓 植 株 蓄 冷 后 的 明 星 綠 寶 石 藍 美 1 號 海 岸 單 株 產(chǎn) 量 分 別 增 加 5 1 5 8 5 5 4 3 8 和 9 4 7 單 果 重 量 分 別 增 加 1 0 9 7 2 2 6 和 5 3 試 驗 證 明 采 用 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 進 行 調 控 能 夠 提 高 藍 莓 的 產(chǎn) 量 和 品 質 取 得 顯 著 經(jīng) 濟 效 益 為 南 方 溫 室 藍 莓 植 物 工 廠 化 促 早 熟 生 產(chǎn) 管 理 提 供 示 范 關 鍵 詞 藍 莓 栽 培 管 理 植 物 工 廠 促 早 熟 生 產(chǎn) 控 制 系 統(tǒng) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 物 聯(lián) 網(wǎng) 中 圖 分 類 號 S 6 2 5 3 文 獻 標 志 碼 A 文 章 編 號 2 0 2 1 0 9 S A 0 0 7 引 用 格 式 徐 立 鴻 劉 輝 輝 徐 赫 蔚 瑞 華 蔡 文 韜 南 方 藍 莓 智 能 溫 室 促 早 熟 生 產(chǎn) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 技 術 J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 2021 3 4 86 98 XU Lihong LIU Huihui XU He WEI Ruihua CAI Wentao Multi factor coordination control technology of pro motingearlymaturinginsouthernblueberryintelligentgreenhouse J SmartAgriculture 2021 3 4 86 98 inChi nesewithEnglishabstract 1 引 言 藍 莓 又 名 越 橘 為 杜 鵑 花 科 越 桔 屬 多 年 生 低 灌 木 被 聯(lián) 合 國 糧 食 及 農(nóng) 業(yè) 組 織 Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO 評 為 人 類 五 大 健 康 食 品 之 一 1 作 為 一 種 附 加 價 值 很 高 的 鮮 果 作 物 近 些 年 來 隨 著 市 場 的 擴 大 其 經(jīng) 濟 效 益 也 十 分 可 觀 與 其 它 果 蔬 相 比 藍 莓 種 植 不 僅 需 要 適 宜 的 溫 度 濕 度 光 照 和CO 2 等 氣 候 環(huán) 境 還 具 有 抗 旱 性 差 需 要 酸 性 土 壤 和 肥 水 環(huán) 境 低 溫 積 累 光 飽 和 點 低 等 生 產(chǎn) 要 素 特 點 目 前 中 國 大 多 數(shù) 藍 莓 生 產(chǎn) 基 地 都 采 用 露 天 土 培 或 是 簡 單 的 陸 地 設 施 栽 培 無 法 達 到 植 物 工 廠 的 生 產(chǎn) 水 準 也 不 適 宜 形 成 規(guī) 模 化 的 智 能 種 植 基 地 2 這 使 得 藍 莓 在 一 些 氣 候 不 適 宜 的 區(qū) 域 引 種 困 難 重 重 且 少 有 文 獻 或 報 道 提 及 高 端 溫 室 種 植 生 產(chǎn) 藍 莓 的 控 制 措 doi 10 12133 j smartag 2021 3 4 202109 SA007 收 稿 日 期 2021 09 17 修 訂 日 期 2021 11 18 基 金 項 目 上 海 市 科 委 創(chuàng) 新 行 動 計 劃 項 目 17391900900 國 家 自 然 科 學 基 金 項 目 61973337 通 信 作 者 徐 立 鴻 1960 博 士 教 授 研 究 方 向 為 溫 室 環(huán) 境 建 模 與 控 制 預 測 控 制 和 智 能 控 制 電 話 17321126466 E mail xulihong 徐 立 鴻 等 南 方 藍 莓 智 能 溫 室 促 早 熟 生 產(chǎn) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 技 術 Vol 3 No 4 施 在 上 海 地 區(qū) 土 壤 偏 堿 性 低 溫 期 較 短 還 有 一 段 較 長 的 陰 雨 黃 梅 天 氣 等 特 殊 氣 候 這 些 問 題 都 制 約 著 上 海 的 藍 莓 種 植 產(chǎn) 業(yè) 解 決 上 述 問 題 的 方 案 是 使 用 高 端 設 施 農(nóng) 業(yè) 手 段 規(guī) 避 由 地 理 限 制 引 發(fā) 的 瓶 頸 植 物 工 廠 是 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 的 高 級 階 段 它 通 過 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 對 設 施 內 植 物 生 長 發(fā) 育 過 程 的 溫 度 濕 度 CO 2 濃 度 和 營 養(yǎng) 液 環(huán) 境 條 件 進 行 高 精 度 控 制 實 現(xiàn) 農(nóng) 作 物 周 年 連 續(xù) 生 長 的 高 效 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 3 5 可 以 作 為 南 方 藍 莓 規(guī) 模 化 生 產(chǎn) 的 方 式 另 外 上 海 及 周 邊 地 區(qū) 陸 地 栽 培 藍 莓 成 熟 期 大 致 在6 月 中 下 旬 至8 月 而 藍 莓 植 物 工 廠 化 的 生 產(chǎn) 種 植 模 式 可 以 通 過 合 理 調 控 其 生 長 環(huán) 境 達 到 藍 莓 提 前 上 市 增 加 其 市 場 經(jīng) 濟 價 值 的 目 的 近 年 來 溫 室 栽 培 的 藍 莓 果 實 單 價 可 高 達 150 200 元 kg 越 早 進 入 市 場 經(jīng) 濟 效 益 越 高 6 因 此 利 用 植 物 工 廠 化 調 控 手 段 進 行 調 控 提 早 上 海 地 區(qū) 藍 莓 成 熟 時 間 具 有 重 要 意 義 為 達 到 藍 莓 提 前 上 市 獲 得 更 大 經(jīng) 濟 效 益 的 目 的 本 研 究 設 計 并 實 現(xiàn) 了 一 套 藍 莓 智 能 溫 室 物 聯(lián) 網(wǎng) 調 控 系 統(tǒng) 將 南 方 藍 莓 移 至 環(huán) 境 可 控 型 智 能 溫 室 中 進 行 試 驗 生 產(chǎn) 結 合 上 海 地 區(qū) 藍 莓 種 植 經(jīng) 驗 從 物 候 期 品 種 特 點 土 壤pH 水 肥 灌 溉 方 式 小 氣 候 環(huán) 境 區(qū) 間 等 方 面 進 行 調 研 與 總 結 為 后 續(xù) 藍 莓 環(huán) 境 調 控 提 供 重 要 依 據(jù) 基 于 藍 莓 物 候 期 環(huán) 境 特 點 在 溫 室 環(huán) 境 多 因 子 協(xié) 調 控 制 模 型 基 礎 上 7 研 究 了 一 套 藍 莓 溫 室 環(huán) 境 多 因 子 控 制 算 法 進 行 調 控 通 過 實 現(xiàn) 并 總 結 藍 莓 全 周 期 植 物 工 廠 化 生 產(chǎn) 技 術 能 有 效 減 少 藍 莓 種 植 過 程 中 的 病 蟲 害 發(fā) 生 率 等 問 題 增 加 產(chǎn) 量 果 實 的 商 品 價 值 和 質 量 提 高 藍 莓 種 植 的 地 域 適 應 性 解 決 區(qū) 域 地 理 條 件 對 藍 莓 生 產(chǎn) 的 制 約 最 終 實 現(xiàn) 藍 莓 提 前 上 市 提 高 藍 莓 市 場 經(jīng) 濟 效 益 2 藍 莓 智 能 溫 室 總 體 設 計 概 要 2 1 藍 莓 生 產(chǎn) 要 素 藍 莓 是 一 種 對 生 長 氣 候 環(huán) 境 如 溫 度 濕 度 光 照 和CO 2 等 生 產(chǎn) 要 素 要 求 較 為 嚴 苛 的 周 年 生 作 物 且 通 常 具 有 抗 旱 性 差 需 要 酸 性 土 壤 和 肥 水 環(huán) 境 低 溫 積 累 光 飽 和 點 低 等 生 產(chǎn) 要 素 特 點 不 同 品 種 的 藍 莓 對 生 產(chǎn) 要 素 要 求 差 別 極 大 因 此 為 了 達 成 促 進 藍 莓 提 早 成 熟 上 市 的 目 的 在 構 建 藍 莓 植 物 工 廠 化 生 產(chǎn) 型 溫 室 前 對 藍 莓 物 候 期 品 種 土 壤 水 肥 氣 候 要 素 等 進 行 充 分 調 研 是 必 要 的 藍 莓 物 候 期 大 體 分 為 萌 芽 期 花 期 果 期 花 芽 分 化 期 及 休 眠 期 幾 個 節(jié) 點 從 品 種 角 度 可 以 將 藍 莓 大 致 分 為 四 類 分 別 為 抗 寒 性 強 需 冷 量 高 喜 歡 冰 涼 天 氣 的 北 高 叢 藍 莓 適 宜 在 南 方 種 植 需 冷 量 低 喜 歡 濕 潤 溫 暖 氣 候 條 件 的 南 高 叢 藍 莓 北 高 叢 藍 莓 與 野 生 種 矮 叢 越 橘 雜 交 需 冷 量 很 高 抗 寒 力 極 強 的 半 高 叢 藍 莓 以 及 樹 體 高 大 壽 命 長 不 耐 寒 抗 濕 熱 對 土 壤 酸 性 要 求 稍 低 需 冷 量 相 比 南 高 叢 藍 莓 較 多 的 兔 眼 藍 莓 藍 莓 有 需 冷 量 的 要 求 需 冷 量 為 藍 莓 正 常 開 花 結 果 需 要 的 有 效 低 溫 0 7 2 累 積 時 間 一 般 以 小 時 為 單 位 8 當 環(huán) 境 未 達 到 藍 莓 需 冷 量 時 藍 莓 花 芽 分 化 會 受 到 很 大 影 響 導 致 開 花 坐 果 率 嚴 重 下 降 產(chǎn) 量 大 幅 降 低 9 嚴 重 影 響 經(jīng) 濟 效 益 上 海 市 屬 亞 熱 帶 季 風 性 氣 候 四 季 分 明 日 照 充 分 然 而 低 溫 期 較 短 還 有 一 段 較 長 的 陰 雨 黃 梅 天 氣 等 特 殊 氣 候 自 然 條 件 下 能 滿 足 藍 莓 需 冷 量 的 時 間 短 10 因 此 應 該 選 取 需 冷 量 低 的 藍 莓 品 種 在 上 海 地 區(qū) 栽 種 結 合 現(xiàn) 有 文 獻 研 究 11 12 本 研 究 從 南 高 叢 中 選 取 具 有 代 表 性 的 品 種 并 考 慮 其 結 果 時 期 形 成 可 以 在 溫 室 中 相 繼 成 熟 的 種 植 組 合 進 行 實 際 生 產(chǎn) 所 選 品 種 分 別 為 明 星 綠 寶 石 海 岸 和 藍 美1 號 土 壤 方 面 土 壤pH 是 藍 莓 生 長 栽 培 的 最 大 限 制 因 素 13 土 壤pH 過 高 或 是 過 低 都 會 影 響 藍 莓 的 正 常 生 長 發(fā) 育 及 其 生 理 代 謝 過 程 14 導 致 藍 莓 在 生 長 過 程 中 對 水 分 營 養(yǎng) 吸 收 不 良 引 起 生 長 緩 慢 葉 片 發(fā) 黃 變 小 產(chǎn) 量 降 低 等 狀 況 因 此 藍 莓 種 植 土 壤pH 范 圍 應 為4 5 5 5 此 外 藍 8 7Vol 3 No 4 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 莓 根 系 大 多 分 布 于 淺 層 土 壤 中 15 土 壤 通 透 性 不 足 容 重 過 高 或 者 排 水 性 不 佳 對 藍 莓 根 系 的 生 長 十 分 不 利 采 用 無 土 栽 培 技 術 16 營 造 藍 莓 生 長 土 壤 微 環(huán) 境 可 以 有 效 解 決 土 壤 養(yǎng) 分 不 足 等 問 題 17 促 進 藍 莓 呼 吸 和 吸 收 礦 物 元 素 18 并 且 有 利 于 精 準 化 管 理 不 受 地 域 土 地 狀 況 的 限 制 促 進 藍 莓 標 準 化 生 產(chǎn) 19 本 次 試 驗 采 用 泥 炭 土 為 主 的 營 養(yǎng) 土 灌 溉 方 面 藍 莓 的 根 系 喜 水 而 怕 澇 不 當 的 灌 溉 措 施 會 導 致 藍 莓 植 株 干 旱 并 且 水 分 的 脅 迫 能 力 差 容 易 造 成 產(chǎn) 量 及 藍 莓 生 長 過 程 中 不 可 逆 的 損 失 20 綜 合 文 獻 18 21 23 可 得 出 藍 莓 灌 溉 規(guī) 律 為 休 眠 期 前 澆 灌 越 冬 水 期 間 降 低 灌 溉 頻 率 催 芽 期 間 保 持 土 壤 濕 度 在60 70 避 免 灌 溉 次 數(shù) 過 多 花 果 期 少 量 多 次 灌 溉 防 止 延 長 花 期 且 膨 果 期 需 水 量 最 大 要 保 證 供 水 充 足 采 摘 后 土 壤 濕 度 在40 60 以 便 晚 秋 期 促 使 藍 莓 重 新 進 入 休 眠 在 全 周 期 的 灌 溉 中 不 得 使 用 自 來 水 否 則 會 致 使 藍 莓 氯 中 毒 無 法 正 常 生 長 在 灌 溉 方 式 上 不 宜 直 接 將 水 灑 在 花 期 葉 片 上 阻 礙 授 粉 和 坐 果 20 滴 灌 具 有 精 量 可 控 的 優(yōu) 點 24 26 故 本 試 驗 采 用 滴 灌 方 式 進 行 灌 溉 2 2 生 產(chǎn) 溫 室 規(guī) 劃 構 建 2 2 1 溫 室 概 況 本 設 計 實 施 的 試 驗 溫 室 位 于 江 蘇 省 蘇 州 市 昆 山 市 花 橋 鎮(zhèn) 東 南 部 121 11 E 31 33 N 處 于 蘇 滬 交 界 地 段 東 邊 接 壤 上 海 市 嘉 定 區(qū) 安 亭 鎮(zhèn) 和 太 倉 市 城 廂 鎮(zhèn) 南 鄰 上 海 市 青 浦 區(qū) 試 驗 溫 室 所 處 地 域 屬 于 北 亞 熱 帶 南 緣 盛 行 東 南 亞 季 風 氣 候 溫 和 濕 潤 四 季 鮮 明 光 照 充 足 雨 量 充 沛 年 平 均 溫 度 約16 7 試 驗 溫 室 為 典 型Venlo 型 小 玻 璃 溫 室 結 構 如 圖1 所 示 基 本 尺 寸 為 檐 口 高5 9 m 試 驗 溫 室 跨 度17 m 開 間17 5 m 脊 高7 2 m 檐 高 5 7m 溫 室 總 體 積1918 875 m 3 該 溫 室 的 調 控 設 備 主 要 有 1 天 窗 自 然 通 風 調 節(jié) 溫 室 內 部 的 溫 度 與 濕 度 2 側 窗 自 然 通 風 調 節(jié) 溫 室 內 部 的 溫 度 與 濕 度 3 濕 簾 風 機 降 溫 增 濕 4 內 保 溫 網(wǎng) 保 溫 防 止 春 寒 溫 度 低 影 響 藍 莓 生 長 5 內 遮 陽 網(wǎng) 調 節(jié) 光 照 與 室 內 溫 度 6 空 調 降 溫 升 溫 調 節(jié) 室 內 溫 濕 度 7 補 光 燈 增 加 藍 莓 生 長 季 的 光 照 8 氣 肥 施 放 增 加 二 氧 化 碳 濃 度 9 灌 溉 系 統(tǒng) 澆 水 施 肥 灌 酸 2 2 2 全 周 期 調 控 目 標 本 研 究 使 用 溫 室 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 進 行 溫 室 環(huán) 境 調 控 溫 室 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 的 調 控 目 的 在 于 使 溫 室 環(huán) 境 主 要 因 子 如 溫 度 濕 度 光 照 強 度 和CO 2 濃 度 保 持 在 作 物 生 長 適 宜 范 圍 內 根 據(jù) 上 海 某 合 作 社 多 年 生 產(chǎn) 藍 莓 的 經(jīng) 驗 和 相 關 文 獻 6 8 27 28 參 考 可 以 確 定 藍 莓 全 周 期 生 長 的 適 宜 氣 象 環(huán) 境 條 件 如 表1 所 示 此 處 以 南 高 叢 品 種 藍 莓 種 植 為 例 藍 莓 與 其 他 作 物 不 同 點 在 于 它 在 休 眠 期 需 要 保 障 充 足 的 需 冷 量 和 低 光 照 催 芽 期 作 為 休 眠 期 與 生 長 期 之 間 的 過 渡 階 段 需 要 使 溫 度 漸 進 升 高 在 整 個 藍 莓 的 花 果 生 長 期 中 夜 間 需 要 維 持 在10 以 上 防 止 藍 莓 因 為 溫 度 過 低 停 止 生 長 耽 誤 果 實 成 熟 的 時 期 此 外 也 應 保 持 花 果 期 的 晝 夜 溫 差 增 加 果 實 甜 度 實 際 溫 室 在 調 控 中 需 要 對 上 述 種 植 經(jīng) 驗 進 行 總 結 合 理 劃 分 每 個 生 長 階 段 每 日 的 溫 度 區(qū) 圖1 試 驗 溫 室 結 構 圖 Fig 1 Structurediagramoftheexperimentalgreenhouse 8 8徐 立 鴻 等 南 方 藍 莓 智 能 溫 室 促 早 熟 生 產(chǎn) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 技 術 Vol 3 No 4 間 由 于 藍 莓 本 身 存 在 一 定 的 耐 高 溫 性 結 合 節(jié) 能 因 素 與 溫 室 設 施 結 構 可 以 在 不 超 過 臨 界 溫 度 的 前 提 下 適 當 擴 大 藍 莓 適 宜 溫 度 的 范 圍 3 溫 室 物 聯(lián) 網(wǎng) 智 能 控 制 系 統(tǒng) 近 些 年 隨 著 物 物 互 聯(lián) 通 信 技 術 傳 感 器 與 信 息 融 合 處 理 等 技 術 的 不 斷 提 升 物 聯(lián) 網(wǎng) 被 廣 泛 應 用 在 各 個 領 域 中 在 農(nóng) 業(yè) 領 域 隨 著 智 慧 農(nóng) 業(yè) 在 各 地 的 持 續(xù) 推 進 溫 室 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術 作 為 產(chǎn) 業(yè) 智 能 化 發(fā) 展 在 工 程 落 地 上 的 關 鍵 引 起 了 許 多 研 究 者 的 重 視 29 31 因 此 針 對 藍 莓 工 廠 化 生 產(chǎn) 本 研 究 設 計 并 實 現(xiàn) 了 一 套 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 信 息 采 集 與 控 制 系 統(tǒng) 提 出 了 有 效 的 藍 莓 溫 室 環(huán) 境 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 并 分 別 從 整 體 系 統(tǒng) 架 構 系 統(tǒng) 硬 件 設 計 與 系 統(tǒng) 控 制 軟 件 設 計 三 個 方 面 展 開 介 紹 3 1 系 統(tǒng) 架 構 概 述 根 據(jù) 藍 莓 生 產(chǎn) 實 際 需 求 將 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 整 體 分 為 軟 件 層 和 硬 件 層 兩 部 分 其 總 體 架 構 如 圖2 所 示 其 中 硬 件 端 主 要 由 環(huán) 境 數(shù) 字 傳 感 器 節(jié) 點 和 執(zhí) 行 機 構 控 制 器 組 成 由RS485 總 線 進 行 信 息 匯 總 軟 件 端 則 由 三 部 分 組 成 分 別 是 現(xiàn) 場 控 制 基 站 端 上 位 機 匯 總 端 和 云 服 務 端 3 2 系 統(tǒng) 硬 件 設 計 系 統(tǒng) 硬 件 總 體 分 為 傳 感 器 部 分 和 執(zhí) 行 機 構 部 分 本 系 統(tǒng) 對 溫 室 傳 感 器 采 取 了 統(tǒng) 一 管 理 使 用 了Zigbee 數(shù) 據(jù) 采 集 網(wǎng) 關 對 傳 感 器 進 行 節(jié) 點 組 網(wǎng) 節(jié) 點 現(xiàn) 場 端 匯 總 布 置 如 圖3 所 示 主 要 包 含 數(shù) 據(jù) 采 集 柜 室 內 溫 度 濕 度 光 照 CO 2 傳 感 器 以 及 土 壤 溫 度 濕 度 EC 值 pH 傳 感 器 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 分 為 氣 候 環(huán) 境 子 系 統(tǒng) 和 灌 溉 子 系 統(tǒng) 其 中 氣 候 環(huán) 境 子 系 統(tǒng) 中 包 含 光 照 調 控 溫 度 調 控 濕 度 調 控 CO 2 調 控 部 分 灌 溉 子 系 統(tǒng) 中 包 含 灌 水 灌 肥 和 灌 酸 本 研 究 所 用 的 溫 室 執(zhí) 行 機 構 從 運 行 狀 態(tài) 可 以 分 為 兩 類 分 別 是 二 態(tài) 執(zhí) 行 機 構 與 三 態(tài) 執(zhí) 行 機 構 二 態(tài) 執(zhí) 行 機 構 只 有 開 和 關 兩 種 狀 態(tài) 其 主 要 以 繼 電 器 為 控 制 器 比 如 補 表 1 南 高 叢 藍 莓 全 周 期 生 長 適 宜 環(huán) 境 條 件 Table1 Optimalenvironmentalconditionsforthefull cyclegrowthofSouthernHighbushBlueberry 物 候 期 休 眠 期11 月 1 月 催 芽 期1 月 生 長 期1 月 2 月 開 花 期2 月 3 月 果 期4 月 7 月 花 芽 分 化 期8 月 10 月 溫 度 要 求 日 間 8 10 10 15 22 13 20 濕 度 60 80 60 80 60 80 50 70 60 80 50 70 光 照 lux 3000 30 000 50 000 CO 2 濃 度 0 350 0 700 圖2 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 整 體 架 構 Fig 2 Overallarchitectureofgreenhousecontrolsystem 8 9Vol 3 No 4 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 光 燈 管 濕 簾 風 機 等 三 態(tài) 執(zhí) 行 機 構 具 有 開 關 停 三 種 工 作 狀 態(tài) 分 別 對 應 執(zhí) 行 電 機 的 正 轉 反 轉 和 停 止 比 如 內 遮 陽 網(wǎng) 內 保 溫 網(wǎng) 天 窗 等 3 3 系 統(tǒng) 軟 件 設 計 藍 莓 生 產(chǎn) 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 軟 件 部 分 共 分 為 三 部 分 分 別 是 現(xiàn) 場 控 制 基 站 端 上 位 機 匯 總 端 和 云 服 務 器 現(xiàn) 場 控 制 基 站 端 主 要 是 以ARM 系 列 芯 片 為 核 心 處 理 器 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 基 于MODBUS RTU 協(xié) 議 通 過RS485 接 口 連 接 現(xiàn) 場 執(zhí) 行 機 構 控 制 繼 電 器 口 與 分 布 式 傳 感 器 節(jié) 點 上 位 機 匯 總 端 使 用C 編 寫 對 下 通 過TCP 協(xié) 議 與 控 制 基 站 通 信 并 將 信 息 發(fā) 送 至 云 服 務 器 端 溫 室 云 服 務 器 端 基 于Python 的Flask 框 架 通 過TCP IP 協(xié) 議 與 上 位 機 交 換 信 息 前 端 界 面 則 基 于JQuery 框 架 為 使 用 者 提 供 監(jiān) 測 與 下 達 控 制 指 令 的 交 互 界 面 4 控 制 算 法 與 實 際 生 產(chǎn) 效 果 4 1 系 統(tǒng) 應 用 實 現(xiàn) 該 控 制 系 統(tǒng) 已 經(jīng) 在 江 蘇 昆 山 市 花 橋 鎮(zhèn) 的 小 型 Venlo 型 溫 室 內 成 功 運 行 近 兩 年 系 統(tǒng) 軟 件 與 硬 件 端 均 已 一 一 對 應 連 接 實 現(xiàn) 算 法 與 執(zhí) 行 的 協(xié) 同 溫 室 現(xiàn) 場 如 圖4 所 示 分 別 為 溫 室 強 電 控 制 柜 現(xiàn) 場 控 制 基 站 端 和 溫 室 藍 莓 實 際 生 產(chǎn) 園 區(qū) 本 研 究 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 藍 莓 植 物 工 廠 化 生 產(chǎn) 控 制 系 統(tǒng) 不 僅 兼 容 了 手 動 控 制 還 可 以 正 常 運 行 其 核 心 的 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 對 藍 莓 溫 室 調 控 進 行 了 自 動 化 管 理 為 相 關 理 論 優(yōu) 化 的 發(fā) 展 提 供 了 試 驗 平 臺 與 數(shù) 據(jù) 來 源 上 位 機 匯 總 端 的 界 面 主 要 包 含 主 頁 面 節(jié) 點 數(shù) 據(jù) 顯 示 數(shù) 據(jù) 通 信 界 面 和 算 法 參 數(shù) 設 置 頁 面 使 用 者 可 以 較 為 詳 細 地 查 看 試 驗 溫 室 內 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 與 執(zhí) 行 機 構 狀 態(tài) 數(shù) 據(jù) 并 靈 活 改 變 參 數(shù) 如 圖5 所 示 4 2 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 4 2 1 算 法 基 本 原 理 和 思 想 溫 室 環(huán) 境 具 有 溫 光 濕 氣 CO 2 多 個 環(huán) 境 因 子 耦 合 的 特 點 傳 統(tǒng) 的 閾 值 控 制 都 是 基 于 a 數(shù) 據(jù) 采 集 柜 b 傳 感 器 注 1 光 照 傳 感 器 2 溫 濕 度 傳 感 器 3 CO 2 傳 感 器 圖3 藍 莓 智 能 溫 室 傳 感 器 節(jié) 點 現(xiàn) 場 圖 Fig 3 Fielddiagramofblueberryintelligentgreenhouse sensornodes a 現(xiàn) 場 基 站 b 藍 莓 布 局 c 藍 莓 補 光 圖4 藍 莓 種 植 試 驗 溫 室 現(xiàn) 場 布 局 Fig 4 Blueberryplantingexperimentalgreenhousesitelayout 9 0徐 立 鴻 等 南 方 藍 莓 智 能 溫 室 促 早 熟 生 產(chǎn) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 技 術 Vol 3 No 4 單 因 子 的 閾 值 控 制 無 法 使 多 個 耦 合 的 環(huán) 境 因 子 同 時 被 調 控 到 適 宜 的 目 標 范 圍 為 此 本 研 究 提 出 了 溫 室 環(huán) 境 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 7 該 算 法 的 核 心 思 想 是 對 溫 室 加 熱 通 風 等 所 有 的 控 制 執(zhí) 行 機 構 設 定 獨 立 的 控 制 方 式 每 個 執(zhí) 行 機 構 控 制 動 作 變 量 閾 值 以 溫 度 為 主 要 環(huán) 境 因 子 而 確 定 其 他 環(huán) 境 因 子 如 光 濕 氣 CO 2 根 據(jù) 協(xié) 調 模 型 與 溫 度 主 環(huán) 境 因 子 進 行 協(xié) 調 以 此 對 溫 度 閾 值 進 行 動 態(tài) 修 正 得 到 執(zhí) 行 機 構 的 動 作 變 量 值 4 2 2 算 法 基 本 控 制 模 型 多 因 子 協(xié) 調 控 制 模 型 為 公 式 1 U X F T set H set R set P set G t in h in r in p in H t out h out r out p out W rain F v F d 1 其 中 U 為 各 執(zhí) 行 機 構 動 作 的 調 控 變 量 X 為 與 環(huán) 境 目 標 設 定 值 室 內 氣 候 環(huán) 境 等 相 關 的 變 量 等 式 右 邊 為 三 類 協(xié) 調 函 數(shù) 為 其 對 應 權 值 F 為 溫 室 環(huán) 境 目 標 設 定 值 的 函 數(shù) 其 中 T set 為 溫 度 設 定 值 H set 為 濕 度 設 定 值 R set 為 光 照 設 定 值 lux P set 為 CO 2 濃 度 設 定 值 隨 作 物 生 長 的 階 段 不 同 每 天 時 間 段 的 不 同 而 變 化 G 為 室 內 氣 候 環(huán) 境 狀 態(tài) 的 函 數(shù) 表 征 室 內 氣 候 環(huán) 境 因 子 的 協(xié) 調 作 用 其 中t in 為 室 內 溫 度 h in 為 室 內 濕 度 r in 為 室 內 光 照 強 度 lux p in 為 室 內CO 2 濃 度 H 為 室 外 氣 候 環(huán) 境 因 素 干 擾 的 函 數(shù) 表 征 室 外 氣 象 環(huán) 境 因 子 的 協(xié) 調 作 用 其 中t out 為 室 外 溫 度 h out 為 室 外 濕 度 r out 為 室 外 太 陽 光 照 強 度 lux p out 為 室 外CO 2 濃 度 W rain 為 雨 量 mm min F v 為 風 速 m s F d 為 風 向 以 上 公 式 1 等 式 右 邊 的 環(huán) 境 或 氣 象 因 子 間 的 協(xié) 調 函 數(shù) 的 確 定 以 實 際 溫 室 作 物 生 產(chǎn) 的 經(jīng) 驗 為 依 據(jù) 通 過 實 際 數(shù) 據(jù) 的 挖 掘 建 模 得 到 下 面 以 藍 莓 溫 室 天 窗 啟 閉 執(zhí) 行 機 構 的 自 然 通 風 控 制 為 例 說 明 如 何 得 到 其 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 根 據(jù) 公 式 1 在 天 窗 通 風 控 制 中 以 通 風 溫 度 為 主 要 環(huán) 境 因 子 來 考 慮 天 窗 控 制 的 閾 值 當 室 內 溫 度 達 到 通 風 溫 度 的 閾 值 時 開 啟 天 窗 進 行 通 風 天 窗 開 度 的 大 小 隨 著 室 內 外 溫 度 值 的 增 大 而 變 大 直 至 全 開 根 據(jù) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 模 型 通 風 溫 度V t 按 公 式 2 計 算 V t Vt i Vt h Vt Rad Vt RadSum 2 其 中 V t 為 通 風 溫 度 Vt i 為 各 時 段 的 初 始 通 風 溫 度 Vt h 為 室 內 濕 度 修 正 Vt Rad 為 瞬 時 光 照 修 正 Vt RadSum 為 光 照 累 積 修 正 初 始 通 風 溫 度Vt i 的 選 取 主 要 與 室 內 溫 度 在 各 時 段 的 設 定 值 有 關 室 內 濕 度 光 照 光 照 累 積 作 為 次 要 環(huán) 境 因 子 對 初 始 通 風 溫 度 進 行 修 正 修 正 量 Vt h Vt Rad Vt RadSum 均 按 公 式 3 a 上 位 機 界 面 b 遠 程 云 終 端 界 面 圖5 藍 莓 智 能 溫 室 軟 件 界 面 Fig 5 Blueberryintelligentgreenhouseinterfaceofsoftware 9 1Vol 3 No 4 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 計 算 Vt x f x Max Vt x A x B Min Vt x x X High 3 其 中 自 變 量x 分 別 為 室 內 相 對 濕 度H in 光 照R Sun lux 以 及 累 積 光 照R SunSum J m 2 各 個 環(huán) 境 因 子 對 通 風 溫 度 的 修 正 如 圖6 所 示 圖 6 a 為 濕 度 修 正 通 風 溫 度 其 中 Max Vt h 為 低 濕 度 最 大 正 影 響 Min Vt h 為 高 濕 度 最 大 負 影 響 圖6 b 為 光 照 修 正 通 風 溫 度 其 中 Min Vt rad 為 光 照 最 大 負 影 響 圖6 c 為 光 照 累 積 當 天 累 積 的 光 照 對 通 風 溫 度 的 影 響 其 中Min Vt radsum 為 光 照 累 積 最 大 負 影 響 這 些 參 數(shù) 初 始 值 可 以 根 據(jù) 經(jīng) 驗 選 取 然 后 在 控 制 系 統(tǒng) 現(xiàn) 場 調 試 中 根 據(jù) 控 制 性 能 反 饋 最 后 確 定 也 可 以 考 慮 根 據(jù) 相 關 作 物 模 型 優(yōu) 化 選 取 天 窗 開 度U roof 的 計 算 示 意 圖 如 圖7 所 示 圖 7 中 溫 度 帶 T b 的 修 正 遵 循 公 式 4 T b T b0 T bTOut T bWind 4 其 中 T b 為 溫 度 帶 T b0 為 初 始 設 定 溫 度 帶 T bTOut 為 室 內 外 溫 度 差 修 正 項 T bWind 為 室 外 風 速 修 正 項 T bTOut 和 T bWind 對 溫 度 帶 的 修 正 如 圖 8 所 示 根 據(jù) 溫 度 帶T b 修 正 后 的 通 風 溫 度V t 和 室 內 溫 度V in 計 算 天 窗 開 度U roof U roof 10 V in V t 100 V in V t T b V in Vt T b 90 10 V t V in V t T b 5 當 天 窗 全 開 啟 時 室 內 溫 度 若 還 高 于 溫 度 設 定 值 范 圍 則 拉 上 遮 陽 網(wǎng) 開 啟 側 窗 予 以 加 大 通 風 對 流 力 度 如 果 通 風 仍 無 法 降 低 室 內 溫 度 則 關 閉 溫 室 所 有 的 天 窗 側 窗 開 啟 濕 簾 風 機 予 以 調 控 其 他 溫 室 執(zhí) 行 機 構 如 加 熱 設 備 等 的 控 制 閾 值 變 量 計 算 仍 根 據(jù) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 模 型 公 式 1 得 到 與 以 上 天 窗 的 通 風 控 制 閾 值 變 量 的 計 算 類 似 不 再 贅 述 詳 見 文 獻 7 控 制 算 法 的 調 控 流 程 如 圖9 所 示 4 2 3 實 際 調 控 效 果 根 據(jù) 實 際 藍 莓 溫 室 生 產(chǎn) 經(jīng) 驗 制 定 相 應 的 控 a 濕 度H in 修 正 通 風 溫 度 Vt rad R sun lux 0 Min Vt rad Min R sun Max R sun b 光 照R Sun 修 正 通 風 溫 度 c 光 照 累 積R SunSum 修 正 通 風 溫 度 圖6 影 響 因 子 對 通 風 溫 度 的 修 正 Fig 6 Correctionofinfluencefactorstoventilation temperature 9 2徐 立 鴻 等 南 方 藍 莓 智 能 溫 室 促 早 熟 生 產(chǎn) 多 因 子 協(xié) 調 控 制 技 術 Vol 3 No 4 制 策 略 通 過 設 定 室 內 外 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 的 報 警 上 下 限 實 現(xiàn) 對 異 常 天 氣 進 行 監(jiān) 測 根 據(jù) 藍 莓 生 長 周 期 中 不 同 階 段 的 生 長 需 求 設 定 對 應 的 調 控 參 數(shù) 通 過 對 溫 室 內 不 同 執(zhí) 行 機 構 的 狀 態(tài) 協(xié) 調 達 到 理 想 的 小 氣 候 環(huán) 境 范 圍 根 據(jù) 藍 莓 全 周 期 生 長 適 宜 環(huán) 境 條 件 得 出 藍 莓 多 因 子 協(xié) 調 控 制 環(huán) 境 調 控 目 標 值 范 圍 藍 莓 多 因 子 協(xié) 調 控 制 系 統(tǒng) 設 定 參 數(shù) 如 表2 表4 所 示 以2021 年5 月 份 果 期 的 多 因 子 調 控 效 果 為 例 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 控 制 效 果 對 比 如 圖10 95 頁 所 示 5 月1 日 5 月7 日 為 采 用 多 因 子 協(xié) 調 控 制 算 法 進 行 控 制 該 階 段 主 要 以 降 溫 為 主 當 室 內 溫 度 高 于35 時 會 開 啟 風 機 進 行 降 溫 經(jīng) 調 控 該 階 段 日 間 室 內 最 高 溫 度 為 35 79 室 內 平 均 溫 度 為31 36 夜 間 室 內 最 高 溫 度 為31 18 平 均 溫 度 為26 22 日 間 室 內 最 高 濕 度 為82 60 平 均 濕 度 為68 05 夜 間 室 內 最 高 濕 度 為 82 69 平 均 濕 度 為 77 41 該 階 段 日 間 室 外 平 均 溫 度 為28 46 為 了 對 比 多 因 子 協(xié) 調 控 制 的 調 控 效 果 選 取 氣 候 相 似 的 未 調 控 日 期 進 行 對 比 5 月9 日 5 月10 日 為 未 經(jīng) 調 控 的 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 日 間 室 外 平 均 溫 度 為29 25 溫 室